【正文】 術(shù)經(jīng)驗和理論水平有限，論文中可能存在的一些錯誤和不足之處，懇請有關(guān)專家批評指正。第二章 熱電偶概述熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍廣、精度高、慣性小，在溫度測量中應用極為廣泛。熱電偶材料一般有鉑銠－鉑銠和鉑銠－鉑，鎳鉻－鎳硅等。這種熱電偶的結(jié)構(gòu)主要由接線盒、保護套管、絕緣管和熱電極等組成[2]。熱電偶作為測溫元件，其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用方便、測溫精度較高，可就地測量和遠傳。在工作時，只要與顯示儀表配合即可測量氣體、液體、固體的溫度。熱電偶可以用來測量200～1600℃范圍內(nèi)的溫度，有些熱電偶甚至可測2000℃以上溫度，所以熱電偶是使用最廣泛的測溫元件之一。[3]熱電偶傳感器是利用“熱電效應”制成的，利用兩種不同導體組成閉合回路。當閉合回路的兩接點也就是熱電偶的工作端和自由端分別處于不同的溫度場中時，回路中將會產(chǎn)生電動勢，產(chǎn)生的電動勢只與工作端和自由端的溫度差有關(guān)。若我們把自由端的溫度固定不變，則熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢只隨工作端溫度的變化而變化。這樣一定的熱電動勢就對應著一定的溫度，測量熱電動勢，也就可以達到測溫的目的，應用起來十分方便[1]。熱電偶之所以在工業(yè)中應用如此廣泛，這和它自身的特點是分不開的。如果熱電偶回路中的兩個熱電偶材料相同，無論兩接點溫度如何，熱電動勢均為零。根據(jù)這個特性，可以檢驗兩個熱電極材料成分是否相同，分布是否均勻。在熱電偶中接入第三種導體，只要第三種導體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電勢不變。利用這種特性，可以方便地在回路中直接接入各種類型的顯示儀表或調(diào)節(jié)器。由于熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關(guān)，只需將冷端的溫度恒定，熱電動勢與熱端溫度構(gòu)成單值函數(shù)。在實際應用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的，因此必須采取一些相應的措施進行補償，常用的方法有冷端恒溫法或補償導線法：所謂冷端恒溫法是將熱電偶的冷端置于溫度為0℃的恒溫器內(nèi)或是置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定；補償導線法是將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所，相當于將熱電極延長，根據(jù)熱電偶回路中接入第三種導體，只要導體兩端接點溫度相同，回路中總的熱電動勢保持不變，這樣只要熱電偶和補償導線的兩個接點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。熱電偶是一種重要的接觸式溫度傳感器，從結(jié)構(gòu)上看熱電偶是十分簡單的，但其理論卻比較復雜，它是一種能獲得高測量準確度的儀器，但也是一種容易出現(xiàn)誤差的儀器。其測量誤差不僅取決于自身的物理性能，還與使用方法正確與否密切相關(guān)，在實際使用時，必須遵循多項技術(shù)規(guī)范，否則將會引起較大的測量誤差，甚至使其遠遠超出允許的誤差范圍，而且還可能降低熱電偶的使用壽命。 熱電偶測溫原理熱電偶是熱電偶溫度計的敏感元件，它測溫的基本原理是熱電效應，又稱塞貝克效應。，把兩種不同的導體(或半導體)A和B連接成閉合回路， 熱電偶結(jié)構(gòu)圖當兩接點1與2的溫度不同時，如T To，則回路中就會產(chǎn)生熱電勢EAB(T，T0)。導體A和B叫做熱電極。兩熱電極A和B的組合稱作熱電偶。在兩個接點中，接點1是將兩電極焊在一起，測溫時將它放入被測對象中感受被測溫度，故稱之為測量端、熱端或工作端；接點2處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端、冷端或自由端。熱電偶就是通過測量熱電勢來實現(xiàn)測溫的。該熱電勢是由兩部分組成：接觸電勢與溫差電勢。 ⑴接觸電勢接觸電勢是基于帕爾帖效應產(chǎn)生的，即兩種不同導體接觸時，自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散，直至達到動態(tài)平衡時形成的熱電勢。電子擴散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。設導體A和B的電子密度分別為NA和NB，并且NANB，則在單位時間內(nèi)，由導體A擴散到導體B的電子數(shù)比從B擴散到A的電子數(shù)多，導體A因推動電子而帶正電，導體B因獲得電子而帶負電，因此，在A和B之間形成了電勢差。這個電勢在A, B接觸處形成一個靜電場，阻礙擴散作用的繼續(xù)進行。在某一溫度下，電子擴散能力與靜電場的阻力達到動態(tài)平衡，此時在接點處形成接觸電勢， ； ()式中，e為單位電荷，e=* 1019 C；K為玻耳茲曼常數(shù)，K=*1023J/K；EAB (T)和EAB(T0)分別為導體A和B的兩個接點在溫度T和To時的電位差。NAT和NAT0為導體A在溫度分別為T和T0時的電子密度，NBT和NBT0為導體B在溫度分別為T和T0時的電子密度。 ，接觸電勢的大小與該接點溫度的高低以及導體A和B的電子密度比值有關(guān)，溫度越高，接觸電勢越大，兩種導體電子密度的比值越大，接觸電勢也越大。 ⑵單一導體中的溫差電勢溫差電勢是基于湯姆遜效應產(chǎn)生的，即同一導體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。設導體A(或B)兩端溫度分別為T和T0，且TT0，此時形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴散到高溫端的要多，結(jié)果使高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負電荷。因而，在同一導體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴散，最后使電子擴散達到動態(tài)平衡，此時所形成的電位差稱作溫差電勢。A，B導體分別都有溫差電勢產(chǎn)生， ； () 式中NAT和NBT分別為導體A，B在某溫度T時的電子密度；EA(T，T0)和EB(T， T0)分別為A和B兩端在T和T0 (T T0)時的溫差電勢。 ⑶熱電偶閉合回路的總電勢(T，T0)和EB(T，T0)及兩個接觸電勢EAB(T)和EAB(T0)。設TTo、 NA NB，由于溫差電勢比接觸電勢小，所以在總電勢中，以導體AB在熱端的接觸電勢EAB(T)所占百分比大，決定了總電勢的方向，這時總電勢EAB(T，T0)可寫成： () 經(jīng)整理后推導可得： () ，熱電偶總電勢與電子密度及兩接觸點溫度有關(guān)。電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度的變化而變化，它們并非常數(shù)。所以，當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電勢EAB(T，T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差，即 (2. 5) 如果能使冷端溫度T0固定，即 (常數(shù))，則對確定的熱電偶材料，其總電勢EAB(T， T0)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即 () 這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過實驗方法求得。由此可見，當保持熱電偶冷端溫度T0不變時，只要用儀表測得熱電勢EAB(T，T0)，就可求得被測溫度。 熱電偶的分類 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量，這里我們主要介紹標準熱電偶。目前國際上規(guī)定了以下8種標準熱電偶：S型、R型、B型、K型、N型、T型、E型和J型。我國從1988年1月1日起，熱電偶全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S, B,E, K, R, J, T七種標準熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。 熱電偶的冷端溫度補償及線性化 熱電偶的冷端溫度補償冷端溫度T0影響熱電偶的熱電勢，為使輸出電勢是被測溫度T的單一函數(shù)，必須使冷端溫度固定。在熱電偶檢定和分度表制作時，總是規(guī)定T0=0℃，但實際測溫時很難保證，因此必須對熱電偶冷端進行處理，以消除T0變化對輸出電勢的影響，才能保證測量精度。該過程稱為熱電偶的冷端補償。常用的補償方法有： ⑴0℃恒溫法在標準大氣壓下將純凈的水和冰混合置于保溫容器，強制性使T0保持0℃。雖然近年來已出現(xiàn)一種能使溫度恒定在0℃的半導體制冷器件，但此方法通常只適用于實驗室，不便于現(xiàn)場環(huán)境使用。⑵計算修正法由中間溫度定律，,將冷端溫度T0≠0℃時的測量值與查表得到的E（T0，0）相加即可得到E（T，0），再反查分度表，可得到被測溫度T。此法較精確但繁瑣，尤其在現(xiàn)場冷端溫度隨時變化時，測量效率難以保證實時要求。在構(gòu)成數(shù)字測溫儀表時必須增加無冷端效應的測溫元件或在A/D轉(zhuǎn)換通道增加對T0的預處理，造成硬件投資增大，測量速度下降。 ⑶電橋補償法該法利用不平衡電橋產(chǎn)生的電壓來補償熱電偶T0變化對輸出電勢的影響，是現(xiàn)場常用的冷端補償方法。其優(yōu)點是使用方便，硬件投資小，測量效率高；缺點在于熱電偶的冷端效應是非線性的，而不平衡電橋輸出是線性的，因而多數(shù)情況下是欠補償或過補償，難以實現(xiàn)完全補償。⑷集成溫度傳感器補償利用各種高性能的半導體溫度傳感器實現(xiàn)測溫和補償，如電流輸出型器件AD590，電壓輸出型器件LM135，LM235，LM335系列。其特點是輸出電流或輸出電壓與絕對溫度成嚴格的線性關(guān)系，冷端補償是通過在其輸出端增加簡單的電阻回路實現(xiàn)；缺點依然是選擇用于補償E（T0，0）的電阻值時，只能在某一溫度（如20℃）時可實現(xiàn)完全補償，溫度變化時則引入誤差。 熱電偶的線性化處理方法 熱電偶作為測溫元件，其輸出信號與溫度之間存在著一定程度的非線性關(guān)系，在進行信號傳送及數(shù)據(jù)處理時，往往希望其特性為線性的，因而有必要對其非線性特性進行線性化處理。據(jù)現(xiàn)在溫度檢測及控制系統(tǒng)使用情況來看，主要可采用模擬線性化和數(shù)字線性化兩種方法。⑴ 模擬線性化 對來自熱電偶的輸出信號采用模擬線性化處理，實現(xiàn)起來簡單且成本低廉，基本誤差可控制在2%以下，能滿足一般工業(yè)檢測及控制的要求。由于工業(yè)常用的幾種熱電偶的輸出特性曲線存在共同特點，即除了曲線起始部分非線性較嚴重以外，其它部分線性較好。因此，可考慮將曲線的線性部分延長，用此虛線代替原曲線的起始部分，這樣用一條斜線代替原來的曲線，斜線與縱軸的交點稱折點電位。從而實現(xiàn)了將原特性曲線的線性化處理，這種方式在信號處理稱“平滑近似法”。⑵數(shù)字線性化如果熱電偶輸出的模擬信號已經(jīng)過數(shù)字化處理，那么此時的線性化方式就要采用數(shù)字線性化，此方法主要的技術(shù)包括存貯器(ROM)和一些計算方法，多用在采用計算機技術(shù)的檢測及控制系統(tǒng)中。在系統(tǒng)設計時，盡可能地用軟件代替硬件，以減少誤差及干擾來源，提高精度及可靠程度?；谶@些優(yōu)點，在高精度、高穩(wěn)定的溫度測量及控制場合，一般采用數(shù)字線性化進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種熱電偶特性曲線變化均較平滑的特點，可采用線性插值法進行處理，并且可達到比較好的效果。.具體實現(xiàn)方法是在系統(tǒng)軟件設計時設置一個具有“非線性特性處理”功能的模塊，此模塊設計步驟如下。首先，根據(jù)熱電偶輸出的mV信號分度表，作出一條比較精確的輸入—輸出曲線。其次，對特性曲線分段，選取插值點。分段方法采取非等間距分段法。熱電偶的特性曲線特點是起始部分斜率變化較大，而中部曲線平緩，接近線性，因此取插值點時在起始部分間距取小一點，中部間距取大點。這樣取法不僅精度可以得到保證，而且可節(jié)省所占用的內(nèi)存空間，加快計算速度。然后，根據(jù)確定的插值點，計算熱電偶輸出電勢與溫度的函數(shù)關(guān)系。第三章 熱電偶溫度巡檢儀方案選擇與設計 熱電偶溫度巡檢儀 基于單片機的溫度巡檢儀Intel公司的MCS51系列以其體積小、通用性強，性價比高，易于擴展等特點，在實驗裝置的開發(fā)，各種智能儀表及控制系統(tǒng)和家用電器領(lǐng)域得到了日益廣泛的運用?？砷_發(fā)基于單片機的對溫度進行巡檢的多功能智能儀表，用MCS51單片機匯編語言進行軟件設計，根據(jù)系統(tǒng)功能，把程序分成了幾個相對獨立的模塊，先分別調(diào)試各個模塊，然后再鏈接進行總的仿真調(diào)試。根據(jù)目前單片機儀表的一般特點?！獑纹瑱C、檢測溫度的敏感元件—熱電偶、信號的采集電路—恒流源電路、信號的切換及偏置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、顯示輸出電路、通信電路、存儲電路以及電源電路。信號的切換是為多路要求而設置的，程控偏置的原因是考慮溫度測量的范圍較寬，如果不加該級電路會造成整個測量系統(tǒng)分辨力不高而降低測量精度。[4] 基于虛擬儀器的溫度巡檢儀 虛擬儀器徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠家定義功能的模式，而是在少量附加硬件的基礎(chǔ)上，由用戶定義儀器功能。因為它的運行主要依賴軟件，所以修改或增加功能、改善性能都非常靈活，也便于利用PC的軟硬件資源和直接使用PC的外設和網(wǎng)絡功能。虛擬儀器不但造價低，而且通過修改軟件可增加它的適應性，進而延長它的生命周期，是一種具有很好發(fā)展前景的儀器。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點,具體表現(xiàn)為： ⑴智能化程度高，處理能力強 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 ⑵應用性強，系統(tǒng)費用低 應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器，如同